JP2009542186A - Method and apparatus for determining a voltage value of a sampled back electromotive force and / or a sampled inductance value based on a sensorless technique, pulse width modulation period - Google Patents
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Abstract
【課題】 永久磁石モータを制御するための方法と装置を含むセンサレス技術である。従来技術では、励磁されていないときのモータ相の逆起電力を測定することでロータ位置を知ることができるが、高トルクレベルでの高速または中側領域では限界がある。
【解決手段】 ＰＷＭ(パルス幅変調)制御された電流及び／又は電圧によってモータの相が励磁される間の、その相の逆起電力の値またはその相のインダクタンスの値を求める。
【選択図】 図１PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a sensorless technique including a method and an apparatus for controlling a permanent magnet motor. In the prior art, the rotor position can be known by measuring the back electromotive force of the motor phase when not excited, but there is a limit in the high speed or middle region at a high torque level.
While a motor phase is excited by a PWM (pulse width modulation) controlled current and / or voltage, a back electromotive force value or an inductance value of the phase is obtained.
[Selection] Figure 1
Description
この発明の技術分野は、エレクトロニクス及びセンサレス技術の領域にある。より詳細かつ広義には、この発明は、永久磁石モータを制御するための方法及び装置に関し、モータの相がＰＷＭ（パルス幅変調）制御された電流及び／又は電圧によって励磁されている間の相逆起電力の値及び相インダクタンスの値を求められるようにするための方法及び装置に関する。 The technical field of the invention is in the area of electronics and sensorless technology. More particularly and broadly, the present invention relates to a method and apparatus for controlling a permanent magnet motor, wherein the phase of the motor is energized by a PWM (pulse width modulation) controlled current and / or voltage. The present invention relates to a method and an apparatus for obtaining a value of a counter electromotive force and a value of a phase inductance.
同期モータ（例えば、ブラシレスモータやステップモータ）の励磁を適切に制御するには、そのロータ位置を知る必要がある。前記ロータ位置は、例えば、ポジションセンサやセンサレス技術を用いることで知ることができる。 In order to appropriately control the excitation of a synchronous motor (for example, a brushless motor or a step motor), it is necessary to know the rotor position. The rotor position can be known by using, for example, a position sensor or sensorless technology.
センサレス技術は、ロータ位置と相関して変化する、電気的パラメータ及び／又はモータパラメータの測定に基づいている。前記パラメータは、例えば：
・回転速度とロータ位置に相関して変化する逆起電力、
・一定値またはロータ位置と相電流に相関して変化する値である、相インダクタンス値（飽和時）、である。
（関連する出願についてのクロスレファレンス）
この出願は、2006年7月5日に出願された「センサーレス技術、PWM（パルス幅変調）周期に基づく、サンプルした逆起電力の電圧値及び／又はサンプルしたインダクタンス値の判定」と題する、米国仮特許出願第60/818,321号についての、優先権の利益を主張する。その開示内容は、その全体を参照することによって、この明細書に明確に併合されている。
Sensorless technology is based on measurements of electrical parameters and / or motor parameters that vary in relation to rotor position. The parameters are for example:
・ Back electromotive force that changes in relation to rotation speed and rotor position,
A phase inductance value (at saturation), which is a constant value or a value that varies in relation to the rotor position and phase current.
(Cross-reference for related applications)
This application is entitled "Sensorless technology, determination of sampled back electromotive force voltage value and / or sampled inductance value based on PWM (pulse width modulation) period" filed on July 5, 2006, Claims the benefit of priority for US Provisional Patent Application No. 60 / 818,321. The disclosure of which is expressly incorporated herein by reference in its entirety.
従来の方法では、励磁されていないときのモータ相の逆起電力を測定することでロータ位置を知ることができる。このような解決策は、解決手法として優れており低速では性能がよい。しかし、こうした従来の方法は、高トルクレベルの高速または中速領域では限界がある。 In the conventional method, the rotor position can be known by measuring the back electromotive force of the motor phase when not excited. Such a solution is an excellent solution and has good performance at low speeds. However, these conventional methods are limited in the high-speed or medium-speed region at a high torque level.
この発明の実施形態は、モータの相がＰＷＭ（パルス幅変調）制御された電流及び／又は電圧によって励磁されている間の相逆起電力の値及び相インダクタンスの値を求められるようにするための方法及び装置に関する。このような方法及び装置は、例えば、永久磁石モータの制御に適用することができる。 Embodiments of the present invention enable the determination of the phase back EMF value and phase inductance value while the motor phase is excited by PWM (pulse width modulation) controlled current and / or voltage. Relates to the method and apparatus. Such a method and apparatus can be applied to control of a permanent magnet motor, for example.
この発明の一実施形態に見られるように、一つの方法は、少なくとも１つの相、コイル、ロータ、及びパワートランジスタのステージを持つ永久磁石モータを制御する方法を提供する。前記方法は、次のステップを含む：ハイレベル電流のスレッショルドにて相パワートランジスタのOFF状態を開始し、ローレベル電流のスレッショルドにて相パワートランジスタのON状態を開始する、パルス幅変調（ＰＷＭ）電流制御の方法を用いて各モータ相の励磁を制御するステップ；同一ＰＷＭ周期内での前記各相でのOFF状態及びON状態の持続時間を求めるステップ；前記OFF状態及びON状態の持続時間と、各相のハイレベル電流及びローレベル電流のスレッショルド値から、各相の相逆起電力（BEMF）の値と相インダクタンスの値を求めるステップ；前記各相のBEMFの値及び／又は相インダクタンスの値から前記モータのロータ位置及び／又はロータ速度を求めるステップ；前記ロータ位置及び／又はロータ速度に相関して各モータ相の励磁を制御するステップ。 As seen in one embodiment of the present invention, one method provides a method of controlling a permanent magnet motor having at least one phase, a coil, a rotor, and a power transistor stage. The method includes the following steps: Pulse width modulation (PWM), which initiates an OFF state of the phase power transistor at a high level current threshold and initiates an ON state of the phase power transistor at a low level current threshold. Controlling the excitation of each motor phase using a current control method; determining the duration of the OFF state and the ON state in each phase within the same PWM period; the duration of the OFF state and the ON state; Determining the phase back electromotive force (BEMF) value and the phase inductance value of each phase from the threshold values of the high level current and the low level current of each phase; the BEMF value and / or the phase inductance value of each phase; Obtaining a rotor position and / or rotor speed of the motor from values; excitation of each motor phase in relation to the rotor position and / or rotor speed Control steps.
この発明の他の実施形態に関連して、一つの方法は、少なくとも１つの相、コイル、ロータ、及びパワートランジスタのステージを持つ永久磁石モータを制御する方法を提供する。前記方法は、次のステップを含む：ハイレベル電流のスレッショルドにて相パワートランジスタのOFF状態を開始し、タイムアウト時間Toffの経過後に相パワートランジスタのON状態を開始する、パルス幅変調（ＰＷＭ）電流制御の方法を用いて各モータ相の励磁を制御するステップ；同一ＰＷＭ周期内での前記各相でのOFF状態及びON状態の持続時間を求めるステップ；前記OFF状態及びON状態の持続時間と前記各相のハイレベル電流のスレッショルドの値から、各相の相BEMFの値を求めるステップ；前記各相のBEMFの値から前記モータのロータ位置及び／又はロータ速度を求めるステップ；前記ロータ位置及び／又はロータ速度に相関して各モータ相の励磁を制御するステップ。この方法は、ロータ位置に相関してその相インダクタンスがほとんど変化しない特性のモータに好適である。 In connection with another embodiment of the present invention, one method provides a method of controlling a permanent magnet motor having at least one phase, a coil, a rotor, and a power transistor stage. The method includes the following steps: pulse width modulation (PWM), which initiates an OFF state of the phase power transistor at a high level current threshold and starts an ON state of the phase power transistor after a timeout time Toff has elapsed. Controlling the excitation of each motor phase using a current control method; determining the duration of the OFF state and the ON state in each phase within the same PWM period; the duration of the OFF state and the ON state; Determining the phase BEMF value of each phase from the threshold value of the high-level current of each phase; determining the rotor position and / or rotor speed of the motor from the BEMF value of each phase; And / or controlling the excitation of each motor phase in relation to the rotor speed. This method is suitable for a motor having characteristics in which the phase inductance hardly changes in relation to the rotor position.
この発明のさらに他の実施形態に見られるように、一つの装置は、少なくとも１つの相、コイル、ロータ、及びパワートランジスタのステージを持つ永久磁石モータを制御する装置を提供する。前記装置は：ハイレベル電流のスレッショルドにて相パワートランジスタのOFF状態を開始し、ローレベル電流のスレッショルドにて相パワートランジスタのON状態を開始する、パルス幅変調（ＰＷＭ）電流制御の方法を用いて各モータ相の励磁を制御すること；同一ＰＷＭ周期内での前記各相でのOFF状態及びON状態の持続時間を求めること；前記OFF状態及びON状態の持続時間と、各相のハイレベル電流及びローレベル電流のスレッショルド値から、各相の相逆起電力（BEMF）の値と相インダクタンスの値を求めること；前記各相のBEMFの値及び／又は相インダクタンスの値から前記モータのロータ位置及び／又はロータ速度を求めること；前記ロータ位置及び／又はロータ速度に相関して各モータ相の励磁を制御すること、に適用される。 As seen in yet another embodiment of the invention, an apparatus provides an apparatus for controlling a permanent magnet motor having at least one phase, a coil, a rotor, and a power transistor stage. The device uses a method of pulse width modulation (PWM) current control that starts the phase power transistor OFF state at the high level current threshold and starts the phase power transistor ON state at the low level current threshold Controlling the excitation of each motor phase; determining the duration of the OFF state and the ON state in each phase within the same PWM cycle; the duration of the OFF state and the ON state and the high level of each phase Obtaining a phase back electromotive force (BEMF) value and a phase inductance value of each phase from the threshold values of the current and the low level current; the rotor of the motor from the BEMF value and / or the phase inductance value of each phase; Applied to determining position and / or rotor speed; controlling excitation of each motor phase in relation to said rotor position and / or rotor speed.
この発明の他の実施形態に関連して、一つの装置は、少なくとも１つの相、コイル、ロータ、及びパワートランジスタのステージを持つ永久磁石モータを制御する装置を提供する。前記装置は：ハイレベル電流のスレッショルドにて相パワートランジスタのOFF状態を開始し、タイムアウト時間Toffの経過後に相パワートランジスタのON状態を開始する、パルス幅変調（ＰＷＭ）電流制御の方法を用いて各モータ相の励磁を制御すること；同一ＰＷＭ周期内での前記各相でのOFF状態及びON状態の持続時間を求めること；前記OFF状態及びON状態の持続時間と前記各相のハイレベル電流のスレッショルドの値から、各相の相BEMFの値を求めること；前記各相のBEMFの値と相インダクタンスの値から前記モータのロータ位置及び／又はロータ速度を求めること；前記ロータ位置及び／又はロータ速度に相関して各モータ相の励磁を制御すること、に適用される。この装置は、ロータ位置に相関してその相インダクタンスがほとんど変化しない特性のモータに好適である。 In connection with another embodiment of the present invention, an apparatus provides an apparatus for controlling a permanent magnet motor having at least one phase, a coil, a rotor, and a power transistor stage. The device uses a method of pulse width modulation (PWM) current control that starts the phase power transistor OFF state at the high level current threshold and starts the phase power transistor ON state after the timeout time Toff has elapsed. Controlling the excitation of each motor phase; determining the duration of the OFF state and the ON state in each phase within the same PWM cycle; the duration of the OFF state and the ON state and the high level of each phase Obtaining the phase BEMF value of each phase from the current threshold value; obtaining the rotor position and / or rotor speed of the motor from the BEMF value and phase inductance value of each phase; Or, it is applied to control the excitation of each motor phase in relation to the rotor speed. This device is suitable for a motor having a characteristic that its phase inductance hardly changes in relation to the rotor position.
この発明のさらに他の実施形態に見られるように、一つの方法は、少なくとも１つの相、コイル、ロータ、及びパワートランジスタのステージを持つ永久磁石モータを制御する方法を提供する。前記方法は、次のステップを含む：ローレベル電流のスレッショルドにて相パワートランジスタのON状態を開始し、タイムアウト時間Tonの経過後に相パワートランジスタのOFF状態を開始する、パルス幅変調（ＰＷＭ）電流制御の方法を用いて各モータ相の励磁を制御するステップ；同一ＰＷＭ周期内での前記各相でのOFF状態及びON状態の持続時間を求めるステップ；前記OFF状態及びON状態の持続時間と前記各相のハイレベル電流のスレッショルドの値から、各相の相BEMFの値を求めるステップ；前記各相のBEMFの値から前記モータのロータ位置及び／又はロータ速度を求めるステップ；前記ロータ位置及び／又はロータ速度に相関して各モータ相の励磁を制御するステップ。この方法は、ロータ位置に相関してその相インダクタンスがほとんど変化しない特性のモータに好適である。 As seen in yet another embodiment of the invention, one method provides a method of controlling a permanent magnet motor having at least one phase, a coil, a rotor, and a power transistor stage. The method includes the following steps: pulse width modulation (PWM), in which the phase power transistor is turned on at a low level current threshold and the phase power transistor is turned off after a timeout time Ton has elapsed. Controlling the excitation of each motor phase using a current control method; determining the duration of the OFF state and the ON state in each phase within the same PWM period; the duration of the OFF state and the ON state; Determining the phase BEMF value of each phase from the threshold value of the high-level current of each phase; determining the rotor position and / or rotor speed of the motor from the BEMF value of each phase; And / or controlling the excitation of each motor phase in relation to the rotor speed. This method is suitable for a motor having characteristics in which the phase inductance hardly changes in relation to the rotor position.
この発明のさらに他の実施形態は、少なくとも１つの相、コイル、ロータ、及びパワートランジスタのステージを持つ永久磁石モータを制御する装置に関する。前記装置は：ローレベル電流のスレッショルドにて相パワートランジスタのON状態を開始し、タイムアウト時間Tonの経過後に相パワートランジスタのOFF状態を開始する、パルス幅変調（ＰＷＭ）電流制御の方法を用いて各モータ相の励磁を制御すること；同一ＰＷＭ周期内での前記各相でのOFF状態及びON状態の持続時間を求めること；前記OFF状態及びON状態の持続時間と前記各相のハイレベル電流のスレッショルドの値から、各相の相BEMFの値を求めること；前記各相のBEMFの値と相インダクタンスの値から前記モータのロータ位置及び／又はロータ速度を求めること；前記ロータ位置及び／又はロータ速度に相関して各モータ相の励磁を制御すること、に適用される。この装置は、ロータ位置に相関してその相インダクタンスがほとんど変化しない特性のモータに好適である。 Yet another embodiment of the invention relates to an apparatus for controlling a permanent magnet motor having at least one phase, a coil, a rotor, and a power transistor stage. Said device: it initiates the ON state of the low level phase power transistors in threshold current, to start OFF state of the phase power transistors after a time-out time T on, using the method of pulse width modulation (PWM) current control Controlling the excitation of each motor phase; determining the duration of the OFF state and the ON state in each phase within the same PWM cycle; the duration of the OFF state and the ON state and the high level of each phase Obtaining the phase BEMF value of each phase from the current threshold value; obtaining the rotor position and / or rotor speed of the motor from the BEMF value and phase inductance value of each phase; Or, it is applied to control the excitation of each motor phase in relation to the rotor speed. This device is suitable for a motor having a characteristic that its phase inductance hardly changes in relation to the rotor position.
この発明の様々な実施形態によるさらなる目的及び優位性は、この説明の一部に記述され、またはこの発明の実施を通して知ることができる。この発明の実施形態の目的及び優位性は、特に請求項に指摘した要素及び組合せによって理解され、達成される。この発明の実施形態は、この明細書に開示され、請求項に記述されている。 Additional objects and advantages of the various embodiments of the invention will be set forth in part in this description or may be learned through practice of the invention. The objects and advantages of embodiments of the invention will be realized and attained by means of the elements and combinations particularly pointed out in the appended claims. Embodiments of the invention are disclosed in the specification and set forth in the claims.
前述した概略的な説明と、以下の詳細な説明は共に、この発明の実施形態の典型例及びその解説に過ぎず、この発明の実施形態を限定するものではない。さらに、特定の実施形態の態様、特徴及び／又は優位性についての説明によって、他の実施形態または請求項が限定的に解釈されてはならない。 Both the above-described general description and the following detailed description are only typical examples and explanations of embodiments of the present invention, and do not limit the embodiments of the present invention. Furthermore, the description of aspects, features and / or advantages of particular embodiments should not be construed as limiting other embodiments or the claims.
添付図面は、この明細書に組み込まれその一部となるものであって、この発明の典型的な実施形態を図解し、この説明と共にこの発明の原理を解説するものである。
この発明の一つの実施形態において、２相モータの各相は４個のトランジスタを持つＨ形パワーブリッジにより励磁される。このようなモータの例は、図１の典型的な実施形態に示されている。 In one embodiment of the present invention, each phase of the two-phase motor is excited by an H-shaped power bridge having four transistors. An example of such a motor is shown in the exemplary embodiment of FIG.
図２は、電流値を正の値である１Aに制限する電流ＰＷＭにおいて、１つのモータ相（図１に記号Φを付して概念的に表わしている）を流れる相電流の一例を示している。前記ＰＷＭは、トランジスタT1とT3の双方によって実行される。これらトランジスタT1とT3は、電流がその目標限界である1Aに達するまでの時間ONになり（その間のTonは可変）、ある決められた期間（電流はダイオードD4とD2を通過する間に減少する）の間OFFになる。 FIG. 2 shows an example of a phase current that flows through one motor phase (conceptually represented by the symbol Φ in FIG. 1) in the current PWM that limits the current value to a positive value of 1A. Yes. The PWM is performed by both transistors T1 and T3. These transistors T1 and T3 are turned on until the current reaches its target limit of 1A (T on is variable between them) and decreases for a certain period of time (the current decreases while passing through diodes D4 and D2) Off).
図３は、電流値を負の値である-１Aに制限する電流ＰＷＭにおいて、１つのモータ相（図１に符号Φを付して概念的に表わしている）を流れる相電流の一例を示している。前記ＰＷＭは、トランジスタT2とT4の双方によって実行される。これらトランジスタT2とT4は、電流がその目標限界である-1Aに達するまでの時間ONになり（その間のTonは可変）、ある決められた期間（電流はダイオードD1とD3を通過する間に減少する）の間OFFになる。 FIG. 3 shows an example of a phase current that flows through one motor phase (conceptually represented by the symbol Φ in FIG. 1) in the current PWM that limits the current value to −1A, which is a negative value. ing. The PWM is performed by both transistors T2 and T4. These transistors T2 and T4 are turned on until the current reaches its target limit of -1A (T on between is variable), and for a certain period of time (while the current passes through the diodes D1 and D3) OFF).
この発明の実施形態は、一つのＰＷＭ周期（例えば、あるToff期間とこれに続くTon期間）に基づいて実行され、相インダクタンスの平均値と相逆起電力の平均値を求める。2個の未知数に対しては、2個の方程式が必要である。 The embodiment of the present invention is executed based on one PWM cycle (for example, a certain T off period and a subsequent Ton period), and obtains an average value of phase inductance and an average value of phase back electromotive force. For two unknowns, two equations are needed.
一つの実施形態において、その相電圧uappliedの式は次のとおりである： In one embodiment, the equation for the phase voltage u applied is:
この式をOFFの期間及びONの期間（これら考慮の対象である期間の例は図４に示されている）に適用するにあたり、これらの期間は、この式を線形化できるほど十分に短いと仮定する。
In applying this equation to the OFF and ON periods (examples of these periods being considered are shown in FIG. 4), these periods should be sufficiently short to linearize the expression. Assume.
off時間Toffの間：
on時間Tonの間：
・L, PWM期間において計算された相インダクタンスの平均値と、
・uind, PWM期間において計算された相逆起電力の平均値とを、
求めることができる。
On time T on :
・ The average value of phase inductance calculated in L and PWM periods
U ind , the average value of the phase back electromotive force calculated in the PWM period,
Can be sought.
この発明の実施形態は、以下の例によってさらに示される。しかしながら、いずれ理解されるように、この発明に関連する実施形態はこれらの例に限定されるものではない。実際に、例えばインダクタンスが一定（この場合、式は1個でよい）か可変（２個の式が必要）かによっても、多くの形態（変形）が考えられる。 Embodiments of the invention are further illustrated by the following examples. However, as will be understood, the embodiments related to the present invention are not limited to these examples. Actually, many forms (deformations) are conceivable depending on whether, for example, the inductance is constant (in this case, one equation is sufficient) or variable (two equations are required).
他の考えられる形態（変形）は、例えばどのようにＰＷＭ制御を行うかにより、例を挙げれば：
・単一の比較最大電流リミットImaxと固定のoff期間Toffを用いた電流制限：
I2on=I1off=Imax, Tonは可変, I1onとI2offは可変。この電流ＰＷＭ制限は、１個または２個のトランジスタにて行われる（１個または２個のトランジスタは、off期間の間、offになっている）。
・２つの比較電流レベルを用いた電流制限：
I2on=I1off=Imax, I1on=I2off=Imin, TonとToffは可変。この電流ＰＷＭ制限は、１個または２個のトランジスタにて行われる（１個または２個のトランジスタは、off期間の間はoffになっている）。
・電圧制限（平均電圧はＰＷＭデューティサイクルにより制御される）。この場合、期間Ton及びToffが用いられ、電流レベルは可変である。：
I1off, I2off=I1on, I2onは要測定。この電圧ＰＷＭ制御は、１個または２個のトランジスタにて行われる（１個または２個のトランジスタは、off期間の間はoffになっている）。
Other possible forms (modifications) are, for example, depending on how PWM control is performed, for example:
• Current limit using a single comparative maximum current limit I max and a fixed off period T off :
I 2on = I 1off = I max , Ton is variable, I 1on and I 2off are variable. This current PWM limitation is performed by one or two transistors (one or two transistors are off during the off period).
Current limit using two comparative current levels:
I 2on = I 1off = I max , I 1on = I 2off = I min, T on and T off is variable. This current PWM limitation is performed by one or two transistors (one or two transistors are off during the off period).
Voltage limit (average voltage is controlled by PWM duty cycle). In this case, periods Ton and Toff are used and the current level is variable. :
I 1off and I 2off = I 1on and I 2on need to be measured. This voltage PWM control is performed by one or two transistors (one or two transistors are off during the off period).
この発明に関連して示された実施例における、４つの典型的な状態を以下で検討する。
事例１：
Lは一定、単一の比較最大電流リミットをImax、off時間Toffを固定とする二重（双方向）のＰＷＭ（ＰＷＭ double）。
Four exemplary states in the embodiment shown in connection with the present invention are discussed below.
Example 1:
L is constant, double (bidirectional) PWM (PWM double) with a single comparative maximum current limit I max and an off time T off fixed.
式は一つだけ必要であり、全ＰＷＭ周期は次のとおり：
事例２：
Lは一定、単一の比較最大電流リミットをImax、off時間Toff固定とする１個のトランジスタによる（片方向の）ＰＷＭ。
Case 2:
L is constant, PWM with one transistor (one direction) with a single comparative maximum current limit fixed at I max and off time T off fixed.
式は一つだけ必要であり、全ＰＷＭ周期は次のとおり：
事例３：
２つの比較電流レベル: I2on=I1off=Imax, I1on=I2off=Iminを用いた電流制限, TonとToffは可変。この電流ＰＷＭ制限は、２個のトランジスタにて適用することができる（２個のトランジスタはoff時間の間はoffになっている）：
Case 3:
Two comparative current levels: I 2on = I 1off = I max, current limit using the I 1on = I 2off = I min , T on and T off are variable. This current PWM limit can be applied with two transistors (the two transistors are off during the off time):
時間Tonの間の式１：
時間Toffの間の式２：
２個の式と２個の未知数についての解法：
事例４：
２つの比較電流レベル: I2on=I1off=Imax, I1on=I2off=Iminを用いた電流制限, TonとToffは可変。この電流ＰＷＭ制限は、１個のトランジスタにて適用することができる（１個のトランジスタはoff時間の間はoffになっている）：
Case 4:
Two comparative current levels: I 2on = I 1off = I max, the current limit with I 1on = I 2off = I min , T on and T off are variable. This current PWM limit can be applied with one transistor (one transistor is off during the off time):
この例においては、２個の式が必要である： In this example, two expressions are required:
時間Tonの間の式１：
時間Toffの間の式２：
２個の式と２個の未知数についての解法：
実施例：
この発明の実施形態に関連して、回路U11をダブルＨ形パワーブリッジとして使用することができる（例えば、図５を参照）。このダブルＨ形パワーブリッジは、例えばステップモータの２つの相AとBを励磁することができる：
・モータ相Aは、相Ap（＋接続）と相Am（−接続）に接続される。目標電流リミットの値は、RCフィルタR66〜C67を通した信号PWM4Bdacによって与えられる。信号CAP3は論理レベル信号であり、この信号により、相Aに対するon時間とoff時間TonとToffの持続時間を測ることができる。
・モータ相Bは、相Bp（＋接続）と相Bm（−接続）に接続される。目標電流リミットの値は、RCフィルタR110〜C68を通した信号PWM5Bdacによって与えられる。信号CAP4は論理レベル信号であり、この信号により、相Bに対するon時間とoff時間TonとToffの持続時間を測ることができる。
Example:
In connection with embodiments of the present invention, circuit U11 can be used as a double H power bridge (see, eg, FIG. 5). This double H-shaped power bridge can excite, for example, the two phases A and B of the stepper motor:
Motor phase A is connected to phase Ap (+ connection) and phase Am (-connection). The target current limit value is given by the signal PWM4Bdac through the RC filters R66-C67. Signal CAP3 is a logic level signal, this signal, it is possible to measure the on time for phase A and off duration of the time T on and T off.
-Motor phase B is connected to phase Bp (+ connection) and phase Bm (-connection). The target current limit value is given by the signal PWM5Bdac through the RC filters R110-C68. Signal CAP4 is a logic level signal, this signal, it is possible to measure on time and off time T on and T off duration for the phases B.
図６に示されるように、信号CAP3及びCAP4は、DSP TMS320F2808PZのキャプチャインプットに接続される(CAP3はECCAP3 pin 99、CAP4 はECCAP4 pin 79)。キャプチャインプットはそれぞれ、既知の正及び／または負のエッジに基づくカウンタ値（カウンタは連続的にカウントアップしている）を記憶することを可能にする。このことは、on時間とoff時間TonとToffを測定することを意味する。
As shown in FIG. 6, the signals CAP3 and CAP4 are connected to the capture input of the DSP TMS320F2808PZ (CAP3 is
この電流ＰＷＭ制限は、２個のトランジスタにて適用される（２個のトランジスタはOFF時間の間はoffになっている）。ここでは、単一の比較最大電流リミット（+/-Imax）と、固定のoff時間Toffとが用いられ、I2on=I1off=Imax, Tonは可変, I1on=I2offは可変である。 This current PWM limit is applied with two transistors (the two transistors are off during the OFF time). Here, a single comparator maximum current limit (+/- I max), fixed off time T off is used, I 2on = I 1off = I max, T on a variable, I 1on = I 2off is It is variable.
図７は、典型的な実施形態に関連して、毎秒4000ステップで回転する２相ステップモータ（例えば、三洋電機製XSH5210-149型、200ステップ／回転）の１つの相の電流を示している。 FIG. 7 shows the current of one phase of a two-phase step motor (eg, Sanyo Electric Model XSH5210-149, 200 steps / rotation) that rotates at 4000 steps per second in connection with an exemplary embodiment. .
波形1は、一定のoff時間で+/-2.4 Aに制限された相電流を示している。波形4は、測定モータ相に印加された電圧を示している。この電圧の値は、on時間とoff時間TonとToffの間、24Vまたは -24Vである。波形1:相電流 [A]。波形4:印加された相電圧 [V]。
前記DSP TMS320F2808PZのキャプチャインプットに接続された信号CAP3及びCAP4(CAP3は ECCAP3 pin 99, CAP4はECCAP4 pin 79)は、前記印加された相電圧の論理ステートである：
・電流が正方向に変調されている間（電流は+Imaxに制限される）は、on時間Tonの間の信号CAPxの論理ステートは１であり（アクティブハイ）（印加電圧は24V）、off時間Toffの間の信号CAPｘの論理ステートは0である（印加電圧は-24V）。
・電流が負方向に変調されている間（電流は-Imaxに制限される）は、on時間Tonの間の信号CAPxの論理ステートは１であり（アクティブハイ）（印加電圧は-24V）、off時間Toffの間の信号CAPｘの論理ステートは0である（印加電圧は24V）。
Signals CAP3 and CAP4 (CAP3 is
• While current is modulated in the positive direction (current is limited to + I max), the logic state of the signal CAPx during on time T on is 1 (active high) (applied voltage 24V) The logic state of the signal CAPx during the off time T off is 0 (applied voltage is -24V).
• While current is modulated in the negative direction (current is limited to -I max), the logic state of the signal CAPx during on time T on is 1 (active high) (applied voltage -24V ), The logical state of the signal CAPx during the off time T off is 0 (applied voltage is 24V).
この発明の実施形態に関連して、前記ＤＳＰにプログラムされたアルゴリズムは、論理信号CAP3（相A）のONとOFFの持続時間と、論理信号CAP4（相B）のONとOFFの持続時間の測定ができるように設定される。 In connection with an embodiment of the present invention, the algorithm programmed in the DSP includes the ON and OFF durations of the logic signal CAP3 (phase A) and the ON and OFF durations of the logic signal CAP4 (phase B). It is set so that it can be measured.
図８は、毎秒4000ステップで回転するステップモータでの測定例を示しており：
m_MOT1_cap2_phA = 信号CAP3のToffの持続時間、10ns単位。
m_MOT1_cap3_phA = 信号CAP3のTonの持続時間, 10ns単位。
m_MOT1_cap_phA_Uind = 計測されたTonとToffに基づく逆起電力値[cV]
である。
Figure 8 shows a measurement example with a step motor rotating at 4000 steps per second:
m_MOT1_cap2_phA = duration of signal CAP3 T off , in units of 10 ns.
m_MOT1_cap3_phA = duration of the T on the signal CAP3, 10ns unit.
M_MOT1_cap_phA_Uind = back EMF value based on the measured T on and T off [cV]
It is.
計測されたTonとToffに基づく逆起電力値は、正弦波状の逆起電力を示す（例えば、図８のm_MOT1_cap_phA_Uindの波形を参照。）。このようにして得られた逆起電力は、しかしながら正の電流変調から負の電流変調への変化または負の電流変調から正の電流変調への変化の何れにおいても変動する（このようなサンプル値は考慮されない）。前記逆起電力のサンプルレートは、ＰＷＭの周波数に対応する（この例では50kHzから25kHzに変化する）。なおＰＷＭ周期は、前記ローレベル電流のスレッショルドとハイレベル電流のスレッショルドとのあいだのギャップ、又は前記OFF状態のタイムアウト時間Toff、又は前記ON状態のタイムアウト時間Tonに応じて66マイクロ秒未満に設定し、ＰＷＭの結果生じる周波数が、15kHzよりも高い、可聴域外とすることが望ましい。
Counter electromotive force value based on the measured T on and T off represents the back electromotive force of the sinusoidal (e.g., see the waveform of m_MOT1_cap_phA_Uind in Figure 8.). The back electromotive force obtained in this way, however, fluctuates in either a change from positive current modulation to negative current modulation or a change from negative current modulation to positive current modulation (such sample values). Is not considered). The back electromotive force sample rate corresponds to the PWM frequency (in this example, it changes from 50 kHz to 25 kHz). Note that the PWM period is less than 66 microseconds depending on the gap between the low-level current threshold and the high-level current threshold, the OFF state timeout time Toff , or the ON state timeout time Ton. It is desirable that the frequency generated as a result of PWM is higher than 15 kHz and outside the audible range.
この例では、モータの相インダクタンスは一定と想定され、相逆起電力の平均値は次の２つの式の何れかを用いることで得られる。 In this example, it is assumed that the phase inductance of the motor is constant, and the average value of the phase back electromotive force can be obtained by using one of the following two formulas.
正の電流変調に用いる式：
負の電流変調に用いる式：
上記に示すように、この発明の実施形態では、両方の相が負及び／又は正の電流で励磁されてモータが回転している間の逆起電力の波形が得られる。これらの相逆起電力の電圧値から、モータのロータ位置と速度を知ることが可能になる。 As described above, in the embodiment of the present invention, both phases are excited with negative and / or positive currents to obtain a back electromotive force waveform while the motor is rotating. It is possible to know the rotor position and speed of the motor from the voltage values of these phase counter electromotive forces.
例として、２相のモータは電気角にして90度ずれた相逆起電力を持つと仮定すると、２つの相逆起電力の比の４象限のアークタンジェント関数はある電気的期間におけるロータ位置(rotor_position)を次のようにして与える： As an example, assuming that a two-phase motor has a phase counter-electromotive force that is 90 degrees shifted in electrical angle, the four-quadrant arctangent function of the ratio of the two phase counter-electromotive forces is the rotor position in an electrical period ( rotor_position) is given as:
・閉ループでのモータへの電力供給の制御（これによるトルクの制御も可能）
・閉ループでのモータ速度の制御 及び／又は
・閉ループでのロータ位置の制御
が可能である。
・ Control of power supply to motor in closed loop (Torque can be controlled by this)
・ Control of motor speed in closed loop and / or control of rotor position in closed loop are possible.
上述した例は、この発明の原理に則って使用されうる多数の例を代表するものであるにすぎない。もちろん、この発明の実施形態は上述した典型例に限定されるものではなく、この発明の範囲内での変形や改良を行うことができる。例として、この発明の実施形態は２相ステップモータ（これは２相永久磁石同期モータが想定されうる）に関して記述がなされているが、当業者には、この発明が多相回転モータ（ｍ相モータ、ｍ=1,2,3,4,5,…）やリニアモータにも適用可能であることが理解されるだろう。さらには、この発明は、４個のトランジスタを持つＨ形パワーブリッジにより各相が励磁される２相モータについて記述されているが、この発明の実施形態は、６個のトランジスタを持つパワーブリッジを備えた３相モータにも適用可能である。さらに、この発明は、同期モータについて記述されているが、この発明の実施形態は、非同期型のモータにも適用可能である。 The above-described examples are merely representative of many examples that can be used in accordance with the principles of the present invention. Of course, the embodiments of the present invention are not limited to the above-described typical examples, and modifications and improvements can be made within the scope of the present invention. By way of example, embodiments of the invention have been described with reference to a two-phase step motor (which can be assumed to be a two-phase permanent magnet synchronous motor), but those skilled in the art will recognize that the invention is a multi-phase rotary motor (m-phase It will be understood that the present invention can also be applied to motors, m = 1, 2, 3, 4, 5,. Furthermore, although the present invention has been described for a two-phase motor in which each phase is excited by an H-shaped power bridge having four transistors, embodiments of the invention provide a power bridge having six transistors. The present invention can also be applied to the provided three-phase motor. Furthermore, although the present invention has been described with respect to a synchronous motor, the embodiments of the present invention can also be applied to an asynchronous motor.
この発明の実施形態は、次のうち何れか１つ以上の利点を提供しまたは提示する。
・ロータ位置を、プレーンな電流（最大トルクが得られる）が供給されるモータ相から求められる。
・この発明は、時間間隔が測定される形態で適用されるとき、ＡＤコンバータ不要で良い解決策を得られる。
・この発明は、ＰＷＭの時間間隔（Tonと Toff）が適用され、”initial & end on &off” 電流レベルが測定される(I1off, I2off = I1on and I2on)形態で適用されるとき、より複雑なハードウエアを使用した場合と同様の結果が得られる。
Embodiments of the present invention provide or present any one or more of the following advantages.
The rotor position is determined from the motor phase to which a plain current (maximum torque is obtained) is supplied.
When the present invention is applied in a form in which the time interval is measured, an AD converter is not necessary and a good solution can be obtained.
The present invention is applied in a form in which the PWM time interval (T on and T off ) is applied and the “initial & end on & off” current level is measured (I 1off , I 2off = I 1on and I 2on ). Results in similar results to using more complex hardware.
この発明に関するある方法または装置が説明のためにここに提示されてきたが、この発明の特徴が、ハードウエア、ソフトウエア、ファームウエア、及び／またはこれらの適当な組合せにおいて有効であることは当業者には明らかである。 While certain methods or apparatus relating to the present invention have been presented herein for purposes of illustration, it is to be understood that the features of the present invention are useful in hardware, software, firmware, and / or suitable combinations thereof. It is clear to the contractor.
すなわち、この明細書と実施例は見本にすぎないと考えられるべきであって、この発明の真の範囲と趣旨とは請求項の記載によって示されるものである。 In other words, the specification and the examples should be considered as mere examples, and the true scope and spirit of the present invention is indicated by the description of the claims.
Claims (42)
相パワートランジスタのOFF状態をハイレベル電流のスレッショルドにて開始し、相パワートランジスタのON状態をローレベル電流のスレッショルドにて開始するパルス幅変調（ＰＷＭ）電流制御方法を用いてモータ各相を励磁するステップ；
同一ＰＷＭ周期での、前記各相のOFF状態またはON状態の持続時間を求めるステップ；
前記各相におけるOFFまたはON状態の持続時間と、前記ハイレベル電流とローレベル電流のスレッショルド値から、各相の逆起電力値とインダクタンス値を求めるステップ；
前記各相の逆起電力値及び／又は前記各相のインダクタンス値から、前記モータのロータ位置及び／又はロータ速度を求めるステップ；
前記ロータ位置及び／又はロータ速度に相関してモータ各相の励磁を制御するステップ。 A method comprising the following steps for controlling a permanent magnet motor comprising at least one phase, a coil, a rotor and a power transistor stage:
Each phase of the motor is excited using a pulse width modulation (PWM) current control method that starts the phase power transistor OFF state at the high-level current threshold and starts the phase power transistor ON state at the low-level current threshold Step to do;
Determining the OFF state or the ON state duration of each phase in the same PWM cycle;
Obtaining a back electromotive force value and an inductance value of each phase from the duration of the OFF or ON state in each phase and the threshold values of the high level current and the low level current;
Obtaining the rotor position and / or rotor speed of the motor from the back electromotive force value of each phase and / or the inductance value of each phase;
Controlling excitation of each phase of the motor in relation to the rotor position and / or rotor speed.
ハイレベル電流のスレッショルドにて相パワートランジスタのOFF状態を開始し、タイムアウト時間Toffの経過後に相パワートランジスタのON状態を開始するパルス幅変調（ＰＷＭ）電流制御の方法を用いて各モータ相の励磁を制御するステップ；
同一ＰＷＭ周期内での前記各相でのOFF状態及びON状態の持続時間を求めるステップ；
前記OFF状態及びON状態の持続時間と前記各相のハイレベル電流のスレッショルドの値から、各相の相BEMFの値を求めるステップ；
前記各相のBEMFの値から前記モータのロータ位置及び／又はロータ速度を求めるステップ；
前記ロータ位置及び／又はロータ速度に相関して各モータ相の励磁を制御するステップ。 The following steps, suitable for a motor with a characteristic that its phase inductance hardly changes relative to the position of the rotor for controlling a permanent magnet motor having at least one phase, coil, rotor and power transistor stage A method comprising:
Using the pulse width modulation (PWM) current control method that starts the phase power transistor OFF state at the high-level current threshold and starts the phase power transistor ON state after the timeout time Toff has elapsed. Controlling the excitation;
Determining the OFF state and the ON state duration of each phase within the same PWM period;
Obtaining a value of the phase BEMF of each phase from the duration of the OFF state and the ON state and the threshold value of the high-level current of each phase;
Determining the rotor position and / or rotor speed of the motor from the BEMF value of each phase;
Controlling the excitation of each motor phase in relation to the rotor position and / or rotor speed.
(a)ハイレベル電流のスレッショルドにて相パワートランジスタのOFF状態を開始し、ローレベル電流のスレッショルドにて相パワートランジスタのON状態を開始する、パルス幅変調（ＰＷＭ）電流制御の方法を用いて各モータ相の励磁を制御し；
(b)同一ＰＷＭ周期内での前記各相でのOFF状態及びON状態の持続時間を求め；
(c)前記OFF状態及びON状態の持続時間と、各相のハイレベル電流及びローレベル電流のスレッショルド値から、各相の相逆起電力（BEMF）の値と相インダクタンスの値を求め；
(d)前記各相のBEMFの値及び／又は相インダクタンスの値から前記モータのロータ位置及び／又はロータ速度を求め；
(e)前記ロータ位置及び／又はロータ速度に相関して各モータ相の励磁を制御する。 An apparatus for controlling a permanent magnet motor having at least one phase, a coil, a rotor, and a stage of a power transistor, the apparatus comprising:
(a) Using a pulse width modulation (PWM) current control method that starts the phase power transistor OFF state at the high level current threshold and starts the phase power transistor ON state at the low level current threshold. Control the excitation of each motor phase;
(b) determining the OFF state and the ON state duration of each phase within the same PWM period;
(c) obtaining a phase back electromotive force (BEMF) value and a phase inductance value of each phase from the durations of the OFF state and the ON state and the threshold values of the high level current and the low level current of each phase;
(d) obtaining the rotor position and / or rotor speed of the motor from the BEMF value and / or phase inductance value of each phase;
(e) Control excitation of each motor phase in correlation with the rotor position and / or rotor speed.
(a)ハイレベル電流のスレッショルドにて相パワートランジスタのOFF状態を開始し、タイムアウト時間Toffの経過後に相パワートランジスタのON状態を開始するパルス幅変調（ＰＷＭ）電流制御の方法を用いて各モータ相の励磁を制御し；
(b)同一ＰＷＭ周期内での前記各相でのOFF状態及びON状態の持続時間を求め；
(c)前記OFF状態及びON状態の持続時間と前記各相のハイレベル電流のスレッショルドの値から、各相の相BEMFの値を求め；
(d)前記各相のBEMFの値と相インダクタンスの値から前記モータのロータ位置及び／又はロータ速度を求め；
(e)前記ロータ位置及び／又はロータ速度に相関して各モータ相の励磁を制御する。 A device suitable for a motor having a characteristic that its phase inductance hardly changes in relation to the position of the rotor, for controlling a permanent magnet motor having at least one phase, a coil, a rotor, and a stage of a power transistor. This equipment is:
(a) Each pulse power modulation (PWM) current control method is used to start the phase power transistor OFF state at the high-level current threshold and start the phase power transistor ON state after the timeout time Toff has elapsed. Control the motor phase excitation;
(b) determining the OFF state and the ON state duration of each phase within the same PWM period;
(c) obtaining the value of the phase BEMF of each phase from the duration of the OFF state and the ON state and the threshold value of the high-level current of each phase;
(d) determining the rotor position and / or rotor speed of the motor from the BEMF value and phase inductance value of each phase;
(e) Control excitation of each motor phase in correlation with the rotor position and / or rotor speed.
ローレベル電流のスレッショルドにて相パワートランジスタのON状態を開始し、タイムアウト時間Tonの経過後に相パワートランジスタのOFF状態を開始するパルス幅変調（ＰＷＭ）電流制御の方法を用いて各モータ相の励磁を制御するステップ；
同一ＰＷＭ周期内での前記各相でのOFF状態及びON状態の持続時間を求めるステップ；
前記OFF状態及びON状態の持続時間と前記各相のハイレベル電流のスレッショルドの値から、各相の相BEMFの値を求めるステップ；
前記各相のBEMFの値から前記モータのロータ位置及び／又はロータ速度を求めるステップ；
前記ロータ位置及び／又はロータ速度に相関して各モータ相の励磁を制御するステップ。 The following steps, suitable for a motor with a characteristic that its phase inductance hardly changes relative to the position of the rotor for controlling a permanent magnet motor having at least one phase, coil, rotor and power transistor stage A method comprising:
Using the pulse width modulation (PWM) current control method, which starts the phase power transistor ON state at the low level current threshold and starts the phase power transistor OFF state after the timeout time Ton has elapsed, Controlling the excitation;
Determining the OFF state and the ON state duration of each phase within the same PWM period;
Obtaining a value of the phase BEMF of each phase from the duration of the OFF state and the ON state and the threshold value of the high-level current of each phase;
Determining the rotor position and / or rotor speed of the motor from the BEMF value of each phase;
Controlling the excitation of each motor phase in relation to the rotor position and / or rotor speed.
(a)ローレベル電流のスレッショルドにて相パワートランジスタのON状態を開始し、タイムアウト時間Tonの経過後に相パワートランジスタのOFF状態を開始するパルス幅変調（ＰＷＭ）電流制御の方法を用いて各モータ相の励磁を制御し；
(b)同一ＰＷＭ周期内での前記各相でのOFF状態及びON状態の持続時間を求め；
(c)前記OFF状態及びON状態の持続時間と前記各相のハイレベル電流のスレッショルドの値から、各相の相BEMFの値を求め；
(d)前記各相のBEMFの値と相インダクタンスの値から前記モータのロータ位置及び／又はロータ速度を求め；
(e)前記ロータ位置及び／又はロータ速度に相関して各モータ相の励磁を制御する。 A device suitable for a motor having a characteristic that its phase inductance hardly changes in relation to the position of the rotor, for controlling a permanent magnet motor having at least one phase, a coil, a rotor, and a stage of a power transistor. This equipment is:
(a) The pulse width modulation (PWM) current control method that starts the phase power transistor ON state at the low-level current threshold and starts the phase power transistor OFF state after the timeout time Ton has elapsed. Control the motor phase excitation;
(b) determining the OFF state and the ON state duration of each phase within the same PWM period;
(c) obtaining the value of the phase BEMF of each phase from the duration of the OFF state and the ON state and the threshold value of the high-level current of each phase;
(d) determining the rotor position and / or rotor speed of the motor from the BEMF value and phase inductance value of each phase;
(e) Control excitation of each motor phase in correlation with the rotor position and / or rotor speed.
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